Concorde – więcej niż samolot – cz. II

Marek Górecki

Concorde to realizowany na ogromną skalę projekt, który doprowadził do opracowania naddźwiękowego samolotu pasażerskiego. By urzeczywistnić sen o SST, konstruktorzy Concorde’a musieli pokonać wiele przeszkód  znajdując odpowiedzi na pytania, których w lotnictwie cywilnym nikt wcześniej nie zadawał oraz opracować szereg nowatorskich rozwiązań technologicznych. Największym osiągnięciem brytyjsko-francuskiej konstrukcji nie była jednak sama możliwość lotu z prędkością naddźwiękową jako taka: powstałą maszynę uznano za cud techniki, ponieważ robiła to w sposób stały i bezpieczny, na wysokościach wcześniej nieosiągalnych dla cywilnych statków powietrznych.

Concorde, oznaczony kodem IATA SSC (kategoria Super-Sonic Airliner), powstał w znacznej mierze dzięki głównemu projektantowi programu Pierre’owi Satre i inżynierowi Archibaldowi Russellowi, a także Sir Morienowi (Morganowi), zwanemu Ojcem Concorde’a. Brytyjsko-francuski samolot był dolnopłatem wykonanym z kompozytów z usterzeniem pionowym oraz skrzydłem w układzie delta z wyprofilowaną krawędzią natarcia i prostą krawędzią spływu, na której umieszczono sterolotki (elevons) zastępujące ster wysokości. Miał długi i cienki kadłub rozpoczęty stożkiem nosowym ruchomym w płaszczyźnie pionowej. Owalny przekrój kadłuba został podyktowany wymogami aerodynamicznymi. Podłużny i cienki, mieścił zaledwie cztery fotele w rzędzie, co jak na samolot dalekiego zasięgu dziś wydaje się niezwykłe, opory powietrza powstające z przodu samolotu przy prędkościach naddźwiękowych wymusiły jednak smukłą, lekką i wydłużoną sylwetkę. Concorde zbudowany był w konstrukcji półskorupowej i presuryzowany za wyjątkiem nosa i ogona.

Wersję seryjną napędzały cztery silniki turboodrzutowe Rolls-Royce Olympus 593 Mk610 o mocy 38 075 funtów każdy, z odwracaczami ciągu i dopalaczami. Mógł pomieścić od 108 do 144 osób i pokonać dystans maksymalnie 6196 km. Jego prędkość przelotowa to Ma = 2,05 [2092 km/h] na wysokości między 15 240 a 18 290 m (poziomy lotu FL500–FL600). Wznosił się początkowo z prędkością pionową 5000 stóp na minutę, by po wyłączeniu dopalaczy redukować wznoszenie do 1000–1500 stóp na minutę.

Concorde miał 61,66 m długości, 11,32 m wysokości oraz 25,56 m rozpiętości skrzydeł, a jego maksymalna waga do startu (MTOW) wynosiła 176 450 kg. Przy tej masie potrzebował maksymalnie 3063 m pasa do startu i 2432 m do lądowania. Wchodząc do służby, miał mieć 9072 kg udźwigu, co odpowiadało wadze stu pasażerów z bagażami podróżujących z Paryża do Nowego Jorku, i miało zostać podniesione w ciągu 2 lat o 20%. W zbiornikach mieściło się 93 440 kg paliwa. Na wysokości przelotowej i przy prędkości podróżnej Ma = 2,0 spalanie paliwa było na poziomie 22 000 litrów na godzinę. Samolot zużywał jednak prawie trzykrotnie więcej paliwa, lecąc z mniejszą prędkością oraz przy włączonych dopalaczach.

Materiał konstrukcyjny

Wysoka temperatura powstająca wskutek tarcia, a także siły i naprężenia działające na samolot podczas całego lotu zmusiły konstruktorów do bardzo ostrożnego dobierania materiałów używanych podczas konstruowania Concorde’a. Postawiono na wytrzymały stop aluminium i miedzi, używany wcześniej przy konstrukcji silników i znany jako Hiduminium RR 58 we wielkiej Brytanii lub AU2GN we Francji. Konstrukcję stworzono w sposób umożliwiający utrzymanie wysokiej temperatury na poszyciu, bez przenoszenia jej do wnętrza kadłuba czy też skrzydeł. Badania związane z wpływem wysokiej temperatury oraz jej dużych zmian na wytrzymałość konstrukcji były prowadzone w specjalnie przeznaczonych do tego celu zakładach RAE w Farnborough. Samolot miał podczas jednego lotu kilkukrotnie znacząco podnosić lub obniżać temperaturę poszycia, przez co wymagał bardzo dokładnego zbadania wpływu wysokiej temperatury jak i jej skoków na użyte materiały. Statyczne testy zmęczeniowe przeprowadzały z kolei zakłady CEAT w Tuluzie, używając między innymi fal dźwiękowych. Aby dodatkowo wzmocnić całość konstrukcji i zredukować liczbę elementów, największe komponenty zostały wyfrezowane z pojedynczych prefabrykatów.

Wykorzystane do produkcji Concorde’a duraluminium było przebadane, trwałe i plastyczne, a do tego relatywnie tanie i łatwo dostępne.  Ściśliwość powietrza i związane z nim tarcie rozgrzewały poszycie do bardzo wysokich temperatur, przy o różnej wartości w różnych miejscach maszyny, np. krawędzie natarcia osiągały 105°C, a limit konstrukcyjny dla użytych materiałów określono na 127°C. Najbardziej narażony na temperaturę był czubek nosa samolotu, i to on dyktował prędkość maksymalną maszyny. Samolot latał z prędkością przelotową Ma = 2,02, ponieważ na poziomach przelotowych taka prędkość pozwalała mu utrzymać temperaturę nieprzekraczającą limitu. Mogło się jednak zdarzyć, że leciał w cieplejszych masach powietrza. Za parametry lotu odpowiadał wtedy specjalnie skonfigurowany autopilot, kontrolujący prędkość nie poprzez liczbę Macha, a wskazania czujników temperatury umieszczonych w nosowej części samolotu. Mógł więc zredukować prędkość, by zmniejszyć tarcie i spowodować spadek temperatury.

Temperatura miała bezpośredni wpływ na całą konstrukcję samolotu. Pod wpływem gorąca poszycie rozciągało się, wydłużając maszynę nawet do 30 cm. Inżynierowie musieli więc zastosować specjalny rodzaj połączeń, tak by wydłużały się one bezkolizyjnie, nie naruszając struktury samolotu. By uniknąć zmian na pokładzie, zastosowano system rolek uniezależniający podłogę kabiny od zachowania poszycia. Jedyne miejsce na pokładzie samolotu, gdzie zmiana fizyczna stawała się widoczna, było miejsce zajmowane przez inżyniera pokładowego. Wąska szczelina pomiędzy ścianą kokpitu a panelem inżyniera poszerzała się w czasie lotu, by następnie skurczyć się z powrotem do wielkości wyjściowej wraz z obniżaniem temperatury materiałów. Zdarzyło się, że jeden z lotników podczas lotu naddźwiękowego wetknął tam swoją czapkę, której po wylądowaniu nie mógł już wyciągnąć. Zjawisko zupełnie świadomie wykorzystał członek innej załogi pod koniec służby Concorde’a i umieścił swoją czapkę w powstałej szczelinie celowo, by po ponownym skurczeniu pozostała jako element muzealnej ekspozycji.

Z uwagi na wymianę ciepła z otoczeniem istniał wymóg, by samolot otrzymywał odblaskowo-białe malowanie.

Pełna wersja artykułu w magazynie Lotnictwo 1-2/2018